16煤粉燃烧中的辐射传热及火焰稳定机制

周怀春周怀春华中科技大学华中科技大学煤燃烧国家重点实验室煤燃烧国家重点实验室热辐射与热辐射与燃烧高级研修班（研讨会）燃烧高级研修班（研讨会）煤粉燃烧中的辐射传热及煤粉燃烧中的辐射传热及火焰稳定机理火焰稳定机理主要内容主要内容11燃烧化学反应放热的辐射传递分析燃烧化学反应放热的辐射传递分析22煤粉燃烧火焰辐射特性参数检测煤粉燃烧火焰辐射特性参数检测33辐射传热在煤粉射流吸热升温过程中的作用辐射传热在煤粉射流吸热升温过程中的作用44煤粉射流稳燃机理及新型煤粉射流稳燃技术新型煤粉射流稳燃技术55结论结论11燃烧化学反应放热的辐射传递分析燃烧化学反应放热的辐射传递分析1.1背景•化学反应产生光和热，特别是在高温下。一般地，在考虑燃烧过程中的能量平衡时，仅仅考虑反应放热，或者说，化学反应产生的能量全部为热效应。•化学发光现象是化学反应中产生的能量的效应，是不依赖于反应物的温度的。它是发光，而不是发热。•燃烧学界，还没有把诸如化学发光等反应发光现象作为辐射传递过程进行考虑。1.2基本概念和方程燃烧反应产生的总能量ψ1-ψ被反应物直接吸收部分在燃烧空间作为辐射直接发射出去Ψ:反应物自身直接吸收的能量份额1-Ψ:直接发射出去的能量份额‰基本概念ZhouHC,AiYH,JQSRT,2006,101:109-118‰基本思路和方程¾化学反应放热全部作为能量平衡方程的源项（与现有处理方式一样）能量平衡方程：这里则,CRRkT=+=−∇+qqqq().vvRDTTccTkTpQDttρρµ∂⎛⎞=+⋅∇=∇⋅∇−∇⋅+Φ+−∇⋅⎜⎟∂⎝⎠vvq,DuuupQDttρρµ∂⎛⎞=+⋅∇=−∇⋅−∇⋅+Φ+⎜⎟∂⎝⎠vqv¾直接发射出去的能量（1-Ψ）部分作为辐射传递方程RTE的发射源项（与介质的黑体发射源项一样），改写辐射传递方程；一般形式的解¾源项为：iiisbIIQIIΩ+−−+=∇⋅∫ππσβψπκ4d)ˆ,ˆ()ˆ(4)1(41ˆssssΦ∫∫∫⎥⎦⎤⎢⎣⎡+⎥⎦⎤⎢⎣⎡=ss'swss'SsII000'dd-)expˆ,(d-)expˆ,()ˆ,(βββsrsrsr∫++−=ππωωψπβ4)dˆˆ()ˆ,(4)()-(1)()1(41)ˆ,(iiibΩΦ'I'I'Q'Ss,ssrrrsr¾在能量平衡方程的辐射传递热流源项中，直接发射出去的能量（1-Ψ）部分与介质的黑体发射一样作为能量产生项，改写辐射热流方程；¾直接发射出去的能量（1-Ψ）部分在燃烧空间传递的机制：QIIbR)1(d44ψπκπ−+⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛Ω−=⋅∇∫q增加空间传递的辐射强度沿程被介质吸收，增加辐射热流升高介质温度，进一步增强介质的辐射能力212122222323242425252626272728282929303020201401401391391381381371371361361351351341341331331321321311313131191913013012912912812812712712612612512512412412312312212212112132321818120120119119118118117117116116115115114114113113112112111111333317171101101091091081081071071061061051051041041031031021021011013434161610010099999898979796969595949493939292919135351515909089898888878786868585848483838282818136361414808079797878777776767575747473737272717137371313707069696868676766666565646463636262616138381212606059595858575756565555545453535252515139391111505049494848474746464545444443434242414140401010998877665544332211二维燃烧系统：灰性固体壁面及气体；尺寸：10m×10m；壁面发射率：0.8；气体吸收系数：0.1m-1；气体区域：10×10＝100；壁面区域：10×4＝40；三个阴影单元发热率：1×105W/m3；其余单元发热率：0;壁面温度：300K;1.31.3二维系统能量平衡与辐射传递方程计算二维系统能量平衡与辐射传递方程计算‰系统结构和参数[]iijjjjjjjjjiiiggn∆+∆→+∆−+→=∆∑∑==ψσεψσκσκ14144)()1(4)(4[]∑∑==∆→+∆−+→=∆+∆n)()1(4)(σεψσκσε‰空间介质单元和壁面单元的能量平衡方程（不考虑流动的影响）Distributionsofgastemperatureandwallheatfluxwithψ=1.0whenκg=0.1m-1三个释热单元温度：约1488.3K;其他单元温度：约500~800KDistributionsofgastemperatureandwallheatfluxwithψ=0.5whenκg=0.1m-1三个释热单元温度：约1283K;其他单元温度：约500~800K,不变Variationsofthetemperaturesinelements56,64and77withψwhenκg=0.1m-1Distributionsofgastemperatureandwallheatfluxwithψ=0.5whenκg=5.0m-1三个释热单元温度：约1060~1075K;其他单元温度：约500~1050K,已变不同气体吸收系数下第77个气体单元温度随ψ的变化0.00.20.40.60.81.0800900100011001200130014001500温度(K)ψ0.11510100当气体吸收系数较小时，ψ对放热单元温度影响较大当介质吸收系数较大时，这种影响减弱;当介质吸收系数大于5.0m-1时，ψ对放热单元温度几乎没有影响1.41.4小结小结99当燃烧介质的吸收性较小（如气体）时，燃烧反应放热的当燃烧介质的吸收性较小（如气体）时，燃烧反应放热的辐射传递过程对燃烧区域的温度影响较大，需要加以考虑；辐射传递过程对燃烧区域的温度影响较大，需要加以考虑；99当燃烧介质的吸收性较大（吸收系数大于当燃烧介质的吸收性较大（吸收系数大于5.05.0mm--11））时，燃时，燃烧反应放热的辐射传递过程对燃烧区域的温度影响较小，烧反应放热的辐射传递过程对燃烧区域的温度影响较小，不需要加以考虑；这对应于液体、或者固体介质的情形。不需要加以考虑；这对应于液体、或者固体介质的情形。99反应物自身直接吸收的能量份额的取值还不能确定，需要反应物自身直接吸收的能量份额的取值还不能确定，需要通过实验检测计算通过实验检测计算2.1煤粉炉内燃烧介质辐射传热特性‰炉内辐射传热过程包括辐射能发射、散射、透射、反射和吸收的复杂换热过程；‰除了高温烟气中的三原子气体外，弥散在空间的悬浮粒子，如烟黑、炭粒和飞灰等也将通过对辐射能的吸收、发射和散射来参与换热过程；‰弥散的颗粒介质的辐射特性与燃烧空间的温度分布有关，且其弥散特性，如颗粒的类型、结构和尺寸分布等，与炉内的湍流、化学反应、脱挥发分、焦炭氧化等物理化学过程紧密耦合，这些情况就使得炉内辐射传热的描述和计算变得十分复杂。22煤粉燃烧火焰辐射特性参数检测煤粉燃烧火焰辐射特性参数检测郑楚光,柳朝晖.弥散介质的光学特性及辐射传热.武汉：华中理工大学出版社.1996‰炉内燃烧介质辐射特性分析方法颗粒射特性参数可采用KBr样片透射法试验测试获得。KBr样片透射法是在红外光谱分析的KBr样片制备法基础上，用光谱仪测样片的透射光谱，进而采用颗粒光散射理论分析所测得的透射光谱，从而确定颗粒的光学常数的方法。另一种则是基于经典的电磁理论，先由实验测得颗粒的光学常数，再通过理论计算得到具有一定尺寸参数和形态的颗粒的吸收、散射效率和散射相函数，这些参数和环境温度、颗粒粒径分布、颗粒数密度相结合，即可得到粒子云的总体辐射特性。32,,5.1DQfKxvxλλ=粒子云辐射特性参数颗粒体积份额粒子云体面积平均直径单个粒子散射或吸收效率‰‰彩色图像标定方法彩色图像标定方法2.2燃烧介质火焰辐射特性检测方法人工黑体的单色辐射强度人工黑体的单色辐射强度：：RGBRGB三基色波长下的单色辐射强度：三基色波长下的单色辐射强度：()⎟⎠⎞⎜⎝⎛−=TCCIλλλεπλ251exp1BkIGkIRkIbgrbgr===λλλ绝对光谱强度标定系数绝对光谱强度标定系数：：相对光谱强度标定系数：相对光谱强度标定系数：则则()()()⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎨⎧⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛−=⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛−=⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛−=TCCBkTCCGkTCCRkbbbbggggrrrrλλλεπλλλεπλλλεπ251251251exp1exp1exp1RR='GcGg×='BcBb×='rggkkc/=rbbkkc/=火焰探测器及其标定装置火焰探测器及其标定装置标定装置：1黑体炉;2火焰探测器;3电源;4图像处理计算机Slopangle：45°viewinganglefieldof78°intheverticaldirectionStainlesssteelpipeImageguideCoolingairPowerinputconnectorVideooutconnectorCCDcameraLensviewinganglefieldof90°inthehorizontaldirection火焰探测器不同温度下的黑体炉辐射图像不同温度下的黑体炉辐射图像1197ºC1297ºC1397ºC1497ºC随着温度的升高，图像的变化趋势：1、图像亮度增强，反映辐射能力增强；2、颜色在改变，反映光谱特性在变化。标定结果：‰‰火焰温度和黑度（发射率）检测方法火焰温度和黑度（发射率）检测方法)exp(215TCCRkgggλλπε=双色法测温：双色法测温：火焰黑度：火焰黑度：⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛−−=⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛−−=552552ln/11ln/11grggrgrgrGRcCIICTgrλλλλλλλλλ뉉火焰辐射特性参数反演方法火焰辐射特性参数反演方法假设火焰吸收系数和散射系数由火焰温度图像反演温度场：正则化方法由火焰辐射强度图像反演辐射特性参数牛顿迭代法'm=TATTAII=收敛吗？结束NoYes视频分隔器工控机视频信号前墙左墙右墙CCD1CCD2CCD3CCD4CCD5CCD6CCD7CCD8燃烧器第一层第四层第三层第二层34米14米19米26米29米第一层火焰第四层火焰第四层火焰第三层火焰第二层火焰第一层火焰第三层火焰第二层火焰((a)a)锅炉锅炉A:670t/hA:670t/h（（b)b)锅炉锅炉B:1024t/hB:1024t/h2.2不同煤粉炉辐射特性检测结果比较‰‰检测系统布置及其结构检测系统布置及其结构ChunLou,Huai-ChunZhou,Peng-FengYu,Zhi-WeiJiang,Proc.InstituteofCombustion,2006,31,tobepublished2204539.3428.3121.1111.24锅炉B2162450.315.633.70.4锅炉A发热量J/g固定炭Cad%挥发份Vad%灰份Aad%水份Mad%锅炉锅炉AA、、BB燃用煤种工业分析燃用煤种工业分析锅炉A：灰分多、挥发份少、固定碳多、发热量与B相当；锅炉B：灰分少、挥发份多、固定碳少、发热量与A相当三种不同负荷下锅炉三种不同负荷下锅炉AA中拍